DE102022101787A1 - LASER DIODE DEVICE AND METHOD OF MAKING AT LEAST ONE PHOTONIC CRYSTAL STRUCTURE FOR A LASER DIODE DEVICE - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Laserdiodenbauelement (1) angegeben umfassend
- einen Halbleiterschichtenstapel (2), der eine aktive Zone (4) zur Emission von Laserstrahlung aufweist,
- eine photonische Kristallstruktur (7) umfassend
- ein kristallines Material (8),
- eine Mehrzahl von strukturierten Bereichen (9, 9A, 9B, 9C), welche jeweils durch zumindest eine Begrenzungsfläche (7A) seitlich begrenzt sind, und
- zumindest eine Seitenfläche (7B, 7C), welche die photonische Kristallstruktur (7) seitlich begrenzt, wobei sich jeweils zumindest eine der Begrenzungsflächen (7A) der strukturierten Bereiche (9, 9A, 9B, 9C) und/oder zumindest eine der Seitenflächen (7B, 7C) der photonischen Kristallstruktur (7) entlang von Kristallebenen des kristallinen Materials (8) erstrecken.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung zumindest einer photonischen Kristallstruktur (7) für ein Laserdiodenbauelement (1) angegeben.
A laser diode component (1) is specified comprising
- a semiconductor layer stack (2) which has an active zone (4) for emitting laser radiation,
- comprising a photonic crystal structure (7).
- a crystalline material (8),
- a plurality of structured areas (9, 9A, 9B, 9C), each of which is laterally delimited by at least one delimiting surface (7A), and
- at least one side surface (7B, 7C) which laterally delimits the photonic crystal structure (7), at least one of the delimiting surfaces (7A) of the structured regions (9, 9A, 9B, 9C) and/or at least one of the side surfaces (7B, 7C) of the photonic crystal structure (7) extending along crystal planes of the crystalline material (8).
A method for producing at least one photonic crystal structure (7) for a laser diode component (1) is also specified.
Description
Es werden ein Laserdiodenbauelement und ein Verfahren zur Herstellung zumindest einer photonischen Kristallstruktur für ein Laserdiodenbauelement angegeben. Beispielsweise handelt es sich bei dem Laserdiodenbauelement um einen sogenannten PCSEL (Photonic Crystal Surface Emitting Laser).A laser diode component and a method for producing at least one photonic crystal structure for a laser diode component are specified. For example, the laser diode component is a so-called PCSEL (Photonic Crystal Surface Emitting Laser).
Für einen PCSEL ist beispielsweise kennzeichnend, dass sich in einer Ebene des photonischen Kristalls aufgrund der photonischen Bandstruktur Lasermoden ausbilden und Laserstrahlung in vertikaler Richtung, das heißt senkrecht zur Ebene des photonischen Kristalls, zur Auskopplung gebracht werden kann.For example, it is characteristic of a PCSEL that laser modes form in a plane of the photonic crystal due to the photonic band structure and laser radiation can be coupled out in a vertical direction, ie perpendicular to the plane of the photonic crystal.
Für photonische Kristalle hoher Güte sollten Strukturelemente des photonischen Kristalls möglichst gleichförmig angeordnet sein und glatte Kanten aufweisen. Beispielsweise entstehen aber bei der Anwendung von Fototechnik und trockenchemischen Ätzens zur Herstellung der Strukturelemente neben teilweise unregelmäßigen Formen auch Schädigungen des Materials.For photonic crystals of high quality, structural elements of the photonic crystal should be arranged as uniformly as possible and have smooth edges. For example, when using photo technology and dry-chemical etching to produce the structural elements, damage to the material occurs in addition to irregular shapes.
Um ferner kleine Pixel in einem Display herstellen zu können, sollten zusätzlich benötigte Spiegelelemente möglichst wenig Platz einnehmen.Furthermore, in order to be able to produce small pixels in a display, additionally required mirror elements should take up as little space as possible.
Eine zu lösende Aufgabe besteht vorliegend unter anderem darin, ein leistungsfähiges Laserdiodenbauelement anzugeben. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht vorliegend unter anderem darin, ein Verfahren zur Herstellung zumindest einer photonischen Kristallstruktur höherer Güte für ein Laserdiodenbauelement anzugeben.One problem to be solved in the present case is, inter alia, to specify a powerful laser diode component. A further problem to be solved in the present case consists, inter alia, of specifying a method for producing at least one photonic crystal structure of higher quality for a laser diode component.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch ein Laserdiodenbauelement und ein Verfahren zur Herstellung zumindest einer photonischen Kristallstruktur für ein Laserdiodenbauelement mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.These objects are achieved, inter alia, by a laser diode component and a method for producing at least one photonic crystal structure for a laser diode component having the features of the independent claims.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen eines Laserdiodenbauelements sowie eines Verfahrens zur Herstellung zumindest einer photonischen Kristallstruktur für ein Laserdiodenbauelement sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Further advantages and configurations of a laser diode component and a method for producing at least one photonic crystal structure for a laser diode component are the subject matter of the dependent claims.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines Laserdiodenbauelements umfasst dieses einen Halbleiterschichtenstapel, der eine aktive Zone zur Emission von Laserstrahlung aufweist. Das Laserdiodenbauelement ist zum Beispiel dafür geeignet, Laserstrahlung aus dem Spektralbereich von ultraviolett bis infrarot zu emittieren.In accordance with at least one embodiment of a laser diode component, the latter comprises a semiconductor layer stack which has an active zone for emitting laser radiation. The laser diode component is suitable, for example, for emitting laser radiation from the spectral range from ultraviolet to infrared.
Die aktive Zone kann eine Folge von Einzelschichten aufweisen, mittels welchen eine Quantentopfstruktur, insbesondere eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW, single quantum well) oder Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW, multiple quantum well), ausgebildet ist.The active zone can have a sequence of individual layers, by means of which a quantum well structure, in particular a single quantum well structure (SQW, single quantum well) or multiple quantum well structure (MQW, multiple quantum well), is formed.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung weist der Halbleiterschichtenstapel einen ersten Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise einen n-dotierten Halbleiterbereich, und einen zweiten Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise einen p-dotierten Halbleiterbereich, auf. Zwischen dem ersten und zweiten Halbleiterbereich kann die aktive Zone angeordnet sein. Der erste und zweite Halbleiterbereich können jeweils eine Folge von Einzelschichten aufweisen, die teilweise undotiert oder gering dotiert sein können. Bei den Einzelschichten kann es sich um epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat abgeschiedene Schichten handeln.In accordance with at least one embodiment or configuration, the semiconductor layer stack has a first semiconductor region of a first conductivity type, for example an n-doped semiconductor region, and a second semiconductor region of a second conductivity type, for example a p-doped semiconductor region. The active zone can be arranged between the first and second semiconductor region. The first and second semiconductor regions can each have a sequence of individual layers, some of which can be undoped or lightly doped. The individual layers can be layers deposited epitaxially on a growth substrate.
Für die Halbleiterbereiche beziehungsweise Einzelschichten des Halbleiterschichtenstapels kommen beispielsweise auf Arsenid-, Phosphid- oder Nitrid-Verbindungshalbleitern basierende Materialien in Betracht. „Auf Arsenid-, Phosphid- oder Nitrid-Verbindungshalbleitern basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichten AlnGamIn1-n-mAs, AlnGamIn1-n-mP, InnGa1-nAsmP1-m oder AlnGamIn1-n-mN enthalten, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 < m < 1 und n+m ≤ 1 gilt. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIn1-n-mAs-, AlnGamIn1-n-mP-, InnGa1-nAsmP1-m- oder AlnGamIn1-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, As bzw. P bzw. N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können. Auch ein quinternärer Halbleiter aus Al, Ga, In (Gruppe III) und P und As (Gruppe V) ist denkbar.For example, materials based on arsenide, phosphide or nitride compound semiconductors can be considered for the semiconductor regions or individual layers of the semiconductor layer stack. "Based on arsenide, phosphide or nitride compound semiconductors" in the present context means that the semiconductor layers contain Al n Ga m In 1-nm As, Al n Ga m In 1-nm P, In n Ga 1-n As m P 1-m or Al n Ga m In 1-nm N, where 0 ≤ n ≤ 1, 0 < m < 1 and n+m ≤ 1. This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it may have one or more dopants as well as additional components that do not substantially change the characteristic physical properties of the Al n Ga m In 1-nm As, Al n Ga m In 1-nm P, In n Ga 1-n As m P 1-m or Al n Ga m In 1-nm N material. For the sake of simplicity, however, the above formula only contains the essential components of the crystal lattice (Al, Ga, In, As or P or N), even if these can be partially replaced by small amounts of other substances. A quinternary semiconductor made of Al, Ga, In (group III) and P and As (group V) is also conceivable.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Laserdiodenbauelement eine photonische Kristallstruktur auf. In accordance with at least one embodiment, the laser diode component has a photonic crystal structure.
Unter einer „photonischen Kristallstruktur“ ist eine Struktur mit periodisch wechselndem Brechungsindex zu verstehen, in welcher eine photonische Bandstruktur ausgebildet ist, die Bereiche verbotener Energie aufweist, in denen sich elektromagnetische Wellen nicht ausbreiten können.A “photonic crystal structure” means a structure with a periodically changing refractive index in which a photonic band structure is formed that has forbidden energy regions in which electromagnetic waves cannot propagate.
Die photonische Kristallstruktur kann ein kristallines Material enthalten. Unter einem „kristallinen Material“ ist beispielsweise ein Material zu verstehen, dessen Bausteine überwiegend in einer Kristallstruktur angeordnet sind.The photonic crystal structure may include a crystalline material. A “crystalline material” is to be understood, for example, as a material whose building blocks are predominantly arranged in a crystal structure.
Weiterhin kann die photonische Kristallstruktur eine Mehrzahl von strukturierten Bereichen aufweisen, die jeweils durch zumindest eine Begrenzungsfläche seitlich begrenzt sind. Dabei kann sich jeweils zumindest eine der Begrenzungsflächen der strukturierten Bereiche entlang von einer Kristallebene des kristallinen Materials erstrecken. Die strukturierten Bereiche können jeweils allseitig durch Begrenzungsflächen begrenzt sein, die entlang von Kristallebenen des kristallinen Materials verlaufen. Insbesondere handelt es sich bei der sich entlang einer Kristallebene erstreckenden Begrenzungsfläche um eine Kristallfacette des kristallinen Materials. Eine Ausrichtung der strukturierten Bereiche an Kristallebenen beziehungsweise Kristallfacetten führt zu besonders glatten und gleichmäßigen Strukturen und damit zu einer photonischen Kristallstruktur hoher Güte. Dadurch können Effizienz und Lebensdauer des Laserdiodenbauelements gesteigert werden.Furthermore, the photonic crystal structure can have a plurality of structured regions, each of which is laterally delimited by at least one delimiting surface. At least one of the boundary surfaces of the structured regions can each extend along a crystal plane of the crystalline material. The structured areas can each be bounded on all sides by boundary surfaces that run along crystal planes of the crystalline material. In particular, the boundary surface extending along a crystal plane is a crystal facet of the crystalline material. Alignment of the structured areas on crystal planes or crystal facets leads to particularly smooth and uniform structures and thus to a photonic crystal structure of high quality. As a result, the efficiency and service life of the laser diode component can be increased.
Insbesondere sind die strukturierten Bereiche in der photonischen Kristallstruktur regelmäßig angeordnet und bewirken eine periodische Änderung des Brechungsindex. Die strukturierten Bereiche können Abmessungen und Abstände im Bereich einer Wellenlänge der Laserstrahlung aufweisen und damit im Bereich von Bruchteilen eines Mikrometers liegen.In particular, the structured areas are regularly arranged in the photonic crystal structure and bring about a periodic change in the refractive index. The structured areas can have dimensions and distances in the range of a wavelength of the laser radiation and are therefore in the range of fractions of a micrometer.
Ferner kann die photonische Kristallstruktur zumindest eine Seitenfläche aufweisen, welche sie seitlich begrenzt. Dabei kann sich zumindest eine der Seitenflächen der photonischen Kristallstruktur entlang einer Kristallebene des kristallinen Materials erstrecken. Insbesondere handelt es sich bei der sich entlang einer Kristallebene erstreckenden Seitenfläche um eine Kristallfacette des kristallinen Materials.Furthermore, the photonic crystal structure can have at least one side surface, which delimits it laterally. In this case, at least one of the side surfaces of the photonic crystal structure can extend along a crystal plane of the crystalline material. In particular, the side face extending along a crystal plane is a crystal facet of the crystalline material.
Die eine oder mehreren Seitenfläche/n bildet/bilden eine Umrandung der photonischen Kristallstruktur. Insbesondere sind die strukturierten Bereiche in einem Abstand zur Umrandung angeordnet, der zu einer phasenrichtigen („inphase“) Reflektion führt.The one or more side surfaces form a border of the photonic crystal structure. In particular, the structured areas are arranged at a distance from the border, which leads to an in-phase reflection.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines Laserdiodenbauelements umfasst dieses:
- - einen Halbleiterschichtenstapel, der eine aktive Zone zur Emission von Laserstrahlung aufweist,
- - eine photonische Kristallstruktur umfassend
- - ein kristallines Material,
- - eine Mehrzahl von strukturierten Bereichen, welche jeweils durch zumindest eine Begrenzungsfläche seitlich begrenzt sind, und
- - zumindest eine Seitenfläche, welche die photonische Kristallstruktur seitlich begrenzt, wobei
- - a semiconductor layer stack which has an active zone for emitting laser radiation,
- - comprising a photonic crystal structure
- - a crystalline material,
- - a plurality of structured areas, each of which is laterally delimited by at least one delimiting surface, and
- - At least one side surface which delimits the photonic crystal structure laterally, wherein
Die photonische Kristallstruktur erfüllt in dem Laserdiodenbauelement insbesondere die Funktion eines lateralen Resonators. Dabei erfolgt eine Einschnürung eines elektrischen Feldes der Strahlung in horizontaler beziehungsweise lateraler Richtung durch die photonische Kristallstruktur. Beispielsweise ist vorliegend unter der Laserstrahlung eine kohärente Strahlung in der Grundmode des Resonators zu verstehen. Insbesondere ist das kristalline Material für die von der aktiven Zone emittierte Strahlung durchlässig.In the laser diode component, the photonic crystal structure fulfills in particular the function of a lateral resonator. In this case, an electrical field of the radiation is constricted in the horizontal or lateral direction by the photonic crystal structure. For example, in the present case, laser radiation is to be understood as meaning coherent radiation in the fundamental mode of the resonator. In particular, the crystalline material is transparent to the radiation emitted by the active zone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung ist die photonische Kristallstruktur in dem Halbleiterschichtenstapel angeordnet. Die photonische Kristallstruktur ist mit Vorteil möglichst nahe an der aktiven Zone angeordnet. Der Halbleiterschichtenstapel kann eine erste, im ersten Halbleiterbereich angeordnete Mantelschicht und eine zweite, im zweiten Halbleiterbereich angeordnete Mantelschicht aufweisen, zwischen denen die aktive Zone angeordnet ist. Auch die photonische Kristallstruktur kann zwischen der ersten und zweiten Mantelschicht angeordnet sein. Die Mantelschichten können einen vertikalen Resonator bilden. Dabei kann eine Einschnürung eines elektrischen Feldes der Lasermode in vertikaler Richtung durch einen Brechungsindexunterschied zwischen der aktiven Zone und den an diese angrenzenden Mantelschichten erfolgen.In accordance with at least one embodiment or configuration, the photonic crystal structure is arranged in the semiconductor layer stack. The photonic crystal structure is advantageously arranged as close as possible to the active zone. The semiconductor layer stack can have a first cladding layer arranged in the first semiconductor region and a second cladding layer arranged in the second semiconductor region, between which the active zone is arranged. The photonic crystal structure can also be arranged between the first and second cladding layers. The cladding layers can form a vertical resonator. In this case, an electric field of the laser mode can be constricted in the vertical direction by a difference in refractive index between the active zone and the cladding layers adjoining it.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung emittiert das Laserdiodenbauelement einen Großteil der Laserstrahlung in einer Hauptabstrahlrichtung, die quer zu einer Haupterstreckungsebene der photonischen Kristallstruktur verläuft. Beispielsweise erstreckt sich die photonische Kristallstruktur in einer horizontalen Ebene, während die Hauptabstrahlrichtung in vertikaler Richtung, senkrecht zur horizontalen Ebene verläuft.In accordance with at least one embodiment or configuration, the laser diode component emits a large part of the laser radiation in a main emission direction, which runs transversely to a main extension plane of the photonic crystal structure. For example, the photonic crystal structure extends in a horizontal plane, while the main emission direction runs in the vertical direction, perpendicular to the horizontal plane.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung handelt es sich bei dem Laserdiodenbauelement um einen PCSEL. Ein PCSEL zeichnet sich durch zumindest eines der folgenden Merkmale aus: ein Singlemodebetrieb ist auch bei Bauelementen mit größeren lateralen Abmessungen von mehr als 300 µm möglich, die Lasermoden und das Strahlmuster können gezielt kontrolliert werden.In accordance with at least one embodiment or configuration, the laser diode component is a PCSEL. A PCSEL is distinguished by at least one of the following features: single-mode operation is also possible with components having larger lateral dimensions of more than 300 µm possible, the laser modes and the beam pattern can be specifically controlled.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung ist das kristalline Material der photonischen Kristallstruktur ein Halbleitermaterial. Die photonische Kristallstruktur kann eine aus dem kristallinen Material gebildete Kristallschicht aufweisen, die beispielsweise bei der Herstellung des Halbleiterschichtenstapels aufgewachsen und strukturiert wird. Beispielsweise kommen als kristalline Materialien auf Nitrid basierende Halbleitermaterialien wie zum Beispiel AlInGaN oder auf Arsenid basierende Halbleitermaterialien wie zum Beispiel GaAs in Frage.In accordance with at least one embodiment or configuration, the crystalline material of the photonic crystal structure is a semiconductor material. The photonic crystal structure can have a crystal layer formed from the crystalline material, which is grown and structured, for example, during the production of the semiconductor layer stack. For example, semiconductor materials based on nitride, such as AlInGaN, or semiconductor materials based on arsenide, such as GaAs, come into consideration as crystalline materials.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung weisen die strukturierten Bereiche jeweils parallel zur Haupterstreckungsebene der photonischen Kristallstruktur einen Querschnitt mit einer polygonalen Form, zum Beispiel mit der Form eines regelmäßigen Polygons, auf. Insbesondere weist der Querschnitt eine nicht-runde Form auf. Die Querschnittsform hängt beispielsweise vom Kristallsystem des kristallinen Materials ab. Bei hexagonalen Kristallsystemen wie zum Beispiel AlInGaN können die strukturierten Bereiche dreieckige oder sechseckige Querschnittsformen aufweisen. Die Polygone können dabei Innenwinkel beziehungsweise Zentriwinkel von 30° oder 60° beziehungsweise Vielfachen oder Teilern davon aufweisen. Die Winkel sind also abhängig von den Winkeln, die in dem Kristallsystem des betreffenden kristallinen Materials auftreten. Bei kubischen Kristallsystemen wie zum Beispiel GaAs können die strukturierten Bereiche rechteckige oder achteckige Querschnittsformen aufweisen. Die Polygone können Zentriwinkel von 45° oder 90° beziehungsweise Vielfachen oder Teilern davon aufweisen.In accordance with at least one embodiment or configuration, the structured regions each have a cross section with a polygonal shape, for example with the shape of a regular polygon, parallel to the main extension plane of the photonic crystal structure. In particular, the cross section has a non-round shape. The cross-sectional shape depends, for example, on the crystal system of the crystalline material. In the case of hexagonal crystal systems such as AlInGaN, for example, the structured areas can have triangular or hexagonal cross-sectional shapes. The polygons can have interior angles or central angles of 30° or 60° or multiples or dividers thereof. The angles are therefore dependent on the angles that occur in the crystal system of the crystalline material in question. In the case of cubic crystal systems such as GaAs, for example, the structured areas can have rectangular or octagonal cross-sectional shapes. The polygons can have central angles of 45° or 90° or multiples or dividers thereof.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung weist die photonische Kristallstruktur parallel zu ihrer Haupterstreckungsebene einen Querschnitt mit einer polygonalen Form, zum Beispiel mit der Form eines regelmäßigen Polygons, auf. Insbesondere weist der Querschnitt eine nicht-runde Form auf. Die Querschnittsform kann wie im Falle der strukturierten Bereiche vom Kristallsystem des kristallinen Materials abhängen. Bei hexagonalen Kristallsystemen wie zum Beispiel AlInGaN kann die photonische Kristallstruktur also eine dreieckige oder sechseckige Querschnittsform aufweisen. Die Polygone können dabei Innenwinkel beziehungsweise Zentriwinkel von 30° oder 60° beziehungsweise Vielfachen davon aufweisen. Die Winkel sind also auch abhängig von den Winkeln, die in dem Kristallsystem des betreffenden kristallinen Materials auftreten. Bei kubischen Kristallsystemen wie zum Beispiel GaAs kann die photonische Kristallstruktur eine rechteckige oder achteckige Querschnittsform aufweisen. Die Polygone können Zentriwinkel von 45° oder 90° beziehungsweise Vielfachen davon aufweisen.In accordance with at least one embodiment or configuration, the photonic crystal structure has a cross section with a polygonal shape, for example with the shape of a regular polygon, parallel to its main plane of extension. In particular, the cross section has a non-round shape. As in the case of the structured areas, the cross-sectional shape can depend on the crystal system of the crystalline material. In the case of hexagonal crystal systems such as AlInGaN, for example, the photonic crystal structure can therefore have a triangular or hexagonal cross-sectional shape. The polygons can have internal angles or central angles of 30° or 60° or multiples thereof. The angles are therefore also dependent on the angles that occur in the crystal system of the crystalline material in question. In cubic crystal systems such as GaAs, the photonic crystal structure can have a rectangular or octagonal cross-sectional shape. The polygons can have central angles of 45° or 90° or multiples thereof.
Die sich an einer Kristallebene erstreckende Seitenfläche weist eine vergleichsweise hohe Reflektivität auf und eignet sich damit als Spiegelfacette einer als Resonator dienenden photonischen Kristallstruktur. Damit kann die Effizienz des Laserdiodenbauelements gesteigert werden. Ferner kann dadurch das Laserdiodenbauelement mit besonders kleinen lateralen Abmessungen gestaltet werden, da keine zusätzlichen Spiegelelemente erforderlich sind. Dadurch kann das Laserdiodenbauelement besonders günstig hergestellt werden.The side face extending on a crystal plane has a comparatively high reflectivity and is therefore suitable as a mirror facet of a photonic crystal structure serving as a resonator. The efficiency of the laser diode component can thus be increased. Furthermore, as a result, the laser diode component can be designed with particularly small lateral dimensions, since no additional mirror elements are required. As a result, the laser diode component can be manufactured particularly cheaply.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung verlaufen die entlang von Kristallebenen angeordneten Begrenzungsflächen beziehungsweise Seitenflächen quer, vorzugsweise senkrecht, zur Haupterstreckungsebene der photonischen Kristallstruktur. Die Begrenzungsflächen beziehungsweise Seitenflächen können beispielsweise entlang von a- beziehungsweise m-Ebenen des kristallinen Materials verlaufen.In accordance with at least one embodiment or configuration, the boundary surfaces or side surfaces arranged along crystal planes run transversely, preferably perpendicularly, to the main plane of extension of the photonic crystal structure. The boundary surfaces or side surfaces can run, for example, along a or m planes of the crystalline material.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung handelt es sich bei den strukturierten Bereichen um Vertiefungen in dem kristallinen Material. Beispielsweise handelt es sich bei den strukturierten Bereichen um geätzte Vertiefungen, deren finale Form und Größe vorzugsweise nasschemisch erzeugt wird.According to at least one embodiment or configuration, the structured areas are depressions in the crystalline material. For example, the structured areas are etched depressions, the final shape and size of which is preferably produced wet-chemically.
In den strukturierten Bereichen kann sich ein strahlungsdurchlässiges Medium, zum Beispiel Luft oder SiO2, befinden, das einen Brechungsindex aufweist, der sich von dem Brechungsindex des kristallinen Materials unterscheidet.A radiation-transmissive medium, for example air or SiO2, which has a refractive index that differs from the refractive index of the crystalline material, can be located in the structured regions.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung weist das Laserdiodenbauelement eine Reflexionsschicht auf, die auf einer Seitenfläche der photonischen Kristallstruktur angeordnet ist. Beispielsweise kann die Reflexionsschicht auf allen Seitenflächen der photonischen Kristallstruktur angeordnet sein. Für die Reflexionsschicht kommen beispielsweise Metalle mit vergleichsweise hoher Reflektivität wie etwa Au, Al oder Ag oder dielektrische Spiegel in Frage. Es können auch dielektrische und metallische Schichten kombiniert werden. Damit kann die Effizienz des Laserdiodenbauelements weiter verbessert werden. Die Reflexionsschicht kann eine Schichtenfolge aus verschiedenen Materialien umfassen.In accordance with at least one embodiment or configuration, the laser diode component has a reflection layer which is arranged on a side surface of the photonic crystal structure. For example, the reflection layer can be arranged on all side surfaces of the photonic crystal structure. For example, metals with comparatively high reflectivity, such as Au, Al or Ag, or dielectric mirrors come into consideration for the reflection layer. Dielectric and metallic layers can also be combined. The efficiency of the laser diode component can thus be further improved. The reflection layer can comprise a layer sequence made of different materials.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung weist die photonische Kristallstruktur eine erste Gitterstruktur auf, die in einem ersten Bereich der photonischen Kristallstruktur angeordnet ist und eine Mehrzahl von ersten strukturierten Bereichen umfasst. Beispielsweise kann sich der erste Bereich in einem zentralen Bereich der photonischen Kristallstruktur befinden. Unter einer „Gitterstruktur“ ist vorliegend eine regelmäßige Anordnung etwa von strukturierten Bereichen zu verstehen.In accordance with at least one embodiment or configuration, the photonic crystal structure has a first lattice structure, which is present in a first region of the photonic crystal structure is assigned and includes a plurality of first structured areas. For example, the first region can be located in a central region of the photonic crystal structure. In the present case, a “lattice structure” is to be understood as meaning a regular arrangement of structured areas, for example.
Weiterhin kann die photonische Kristallstruktur eine zweite Gitterstruktur aufweisen, die der ersten Gitterstruktur überlagert ist und eine Mehrzahl von zweiten strukturierten Bereichen umfasst, wobei sich die ersten strukturierten Bereiche in Form und/oder Größe und/oder Orientierung von den zweiten strukturierten Bereichen unterscheiden. Eine derartige Ausgestaltung der photonischen Kristallstruktur wirkt in besonderer Weise modenselektiv und ermöglicht einen Singlemodebetrieb auch bei Bauelementen mit kleineren lateralen Abmessungen im Bereich von 10 um.Furthermore, the photonic crystal structure can have a second lattice structure which is superimposed on the first lattice structure and comprises a plurality of second structured regions, the first structured regions differing from the second structured regions in terms of shape and/or size and/or orientation. Such a configuration of the photonic crystal structure is mode-selective in a special way and enables single-mode operation even in the case of components with smaller lateral dimensions in the range of 10 μm.
Zusätzlich oder alternativ kann die photonische Kristallstruktur eine dritte Gitterstruktur aufweisen, die in einem an den ersten Bereich angrenzenden zweiten Bereich der photonischen Kristallstruktur angeordnet ist und eine Mehrzahl von dritten strukturierten Bereichen umfasst, wobei sich die ersten strukturierten Bereiche in Form und/oder Größe und/oder Orientierung von den dritten strukturierten Bereichen unterscheiden. Durch die dritte Gitterstruktur kann die Reflektivität an den Seitenflächen der photonischen Kristallstruktur verbessert werden. Beispielsweise kann die photonische Kristallstruktur eine Kombination aus Seitenflächen aufweisen, die sich entlang von Kristallebenen erstrecken, und Seitenflächen, die eine dritte Gitterstruktur seitlich begrenzen.Additionally or alternatively, the photonic crystal structure may have a third lattice structure, which is arranged in a second region of the photonic crystal structure adjacent to the first region and comprises a plurality of third structured regions, the first structured regions differing in shape and/or size and/or orientation from the third structured regions. The reflectivity at the side surfaces of the photonic crystal structure can be improved by the third lattice structure. For example, the photonic crystal structure may have a combination of side faces that extend along crystal planes and side faces that laterally delimit a third lattice structure.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung weist das Laserdiodenbauelement eine Mehrzahl von photonischen Kristallstrukturen auf, die jeweils einen Pixelbereich definieren. Unter einem „Pixelbereich“ ist beispielsweise ein strahlungsemittierender Bereich des Laserdiodenbauelements zu verstehen, der von einem direkt benachbarten strahlungsemittierenden Bereich unterscheidbar ist. Da die Strahlung an den Seitenflächen der photonischen Kristallstrukturen jeweils in die Pixelbereiche zurückreflektiert werden kann, ist es möglich den Crosstalk zwischen den Pixelbereichen zu verringern und den Kontrast zu erhöhen.In accordance with at least one embodiment or configuration, the laser diode component has a plurality of photonic crystal structures, each of which defines a pixel region. A “pixel area” is to be understood, for example, as a radiation-emitting area of the laser diode component that can be distinguished from a directly adjacent radiation-emitting area. Since the radiation on the side faces of the photonic crystal structures can be reflected back into the pixel areas, it is possible to reduce the crosstalk between the pixel areas and increase the contrast.
Beispielsweise können die photonischen Kristallstrukturen der verschiedenen Pixelbereiche im Wesentlichen, das heißt im Rahmen üblicher Herstellungstoleranzen, gleich sein. Dadurch kann zum Beispiel ein Display erzeugt werden, bei dem die Pixelbereiche einzeln ansteuerbar sind.For example, the photonic crystal structures of the various pixel regions can be essentially the same, that is to say within the scope of normal manufacturing tolerances. In this way, for example, a display can be produced in which the pixel areas can be controlled individually.
Alternativ können die photonischen Kristallstrukturen der verschiedenen Pixelbereiche verschieden sein. Dadurch kann beispielsweise die Abstrahlcharakteristik variiert werden. So können zum Beispiel Emissionsquellen erzeugt werden, die je nach aktivierten Pixelbereichen in unterschiedliche Richtungen emittieren.Alternatively, the photonic crystal structures of the different pixel areas can be different. As a result, the radiation characteristics can be varied, for example. For example, emission sources can be generated that emit in different directions depending on the activated pixel areas.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren ist für die Herstellung einer photonischen Kristallstruktur der oben genannten Art geeignet. Im Zusammenhang mit der photonischen Kristallstruktur beziehungsweise dem Laserdiodenbauelement beschriebene Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt.The method described below is suitable for the production of a photonic crystal structure of the type mentioned above. Features described in connection with the photonic crystal structure or the laser diode component can therefore also be used for the method and vice versa.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung zumindest einer photonischen Kristallstruktur für ein Laserdiodenbauelement der oben genannten Art umfasst dieses folgende Schritte:
- - Bereitstellen einer Grundschicht eines kristallinen Materials,
- - Herstellen von strukturierten Bereichen in der Grundschicht, wobei die strukturierten Bereiche jeweils durch zumindest eine Begrenzungsfläche seitlich begrenzt werden,
- - Erzeugen zumindest einer Seitenfläche, welche die zumindest eine photonische Kristallstruktur seitlich begrenzt, wobei zumindest eine Begrenzungsfläche jedes strukturierten Bereichs und/oder zumindest eine Seitenfläche der photonischen Kristallstruktur durch Glätten an Kristallebenen des kristallinen Materials erzeugt wird.
- - providing a base layer of a crystalline material,
- - Production of structured areas in the base layer, the structured areas each being laterally delimited by at least one boundary surface,
- - Generating at least one side surface which laterally delimits the at least one photonic crystal structure, at least one delimiting surface of each structured region and/or at least one side surface of the photonic crystal structure being produced by smoothing on crystal planes of the crystalline material.
Durch das Glätten werden Kristallfacetten des kristallinen Materials der Grundschicht herausgearbeitet, wodurch hinsichtlich einer Ausrichtung von Kanten und Winkeln besonders gleichmäßige strukturierte Bereiche beziehungsweise hoch reflektierende Seitenflächen entstehen, die für eine hohe Güte der photonischen Kristallstruktur sorgen. Ferner können durch das Glätten geschädigte Materialbereiche entfernt werden. Dadurch ergibt sich an Oberflächen der strukturierten Bereiche beziehungsweise Seitenflächen eine geringere Defektdichte, was in dem Laserdiodenbauelement aufgrund einer geringeren Oberflächenrekombination zu einer verbesserten Effizienz und Alterungsstabilität führt.Crystal facets of the crystalline material of the base layer are worked out by the smoothing, resulting in particularly uniform structured areas or highly reflective side surfaces with regard to an alignment of edges and angles, which ensure a high quality of the photonic crystal structure. Furthermore, areas of material damaged by the smoothing can be removed. This results in a lower defect density on surfaces of the structured areas or side faces, which leads to improved efficiency and aging stability in the laser diode component due to lower surface recombination.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung werden zur Herstellung der strukturierten Bereiche in der Grundschicht initiale Vertiefungen ausgebildet und aus den initialen Vertiefungen durch Glätten finale Vertiefungen erzeugt.In accordance with at least one embodiment or configuration, initial depressions are formed in the base layer to produce the structured regions, and final depressions are produced from the initial depressions by smoothing.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung des Verfahrens werden die initialen Vertiefungen durch eine der folgenden Methoden erzeugt: trockenchemisches Ätzen, Laserablation. Die initialen Vertiefungen werden beispielsweise kleiner als benötigt hergestellt und durch das Glätten auf die finale Größe beziehungsweise Form gebracht.According to at least one embodiment or refinement of the method, the initial depressions are produced by one of the following methods: dry chemical etching, laser ablation. For example, the initial indentations are made smaller than required and smoothed to the final size or shape.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder Ausgestaltung wird für das Glätten ein Ätzprozess verwendet. Der Ätzprozess kann so geführt werden, dass er auf Kristallfacetten des kristallinen Materials der Grundschicht stoppt.According to at least one embodiment or configuration, an etching process is used for the smoothing. The etching process can be directed to stop on crystal facets of the base layer crystalline material.
Beispielsweise können die finalen Vertiefungen durch nasschemisches Glätten erzeugt werden. Das nasschemische Glätten kann im Falle von GaN als kristallinem Material mit einer basischen Lösung als Ätzmittel erfolgen, zum Beispiel mit KOH oder NaOH. Im Falle von GaAs eignen sich als Ätzmittel hingegen saure Lösungen wie 3:1:1 H2SO4 (75%):H2O2:H2SO4 (96%), 1:8:80 H2SO4 (96%):H2O2:H2O oder 1:8:160 H2SO4 (96%):H2O2:H2O.For example, the final indentations can be created by wet-chemical smoothing. In the case of GaN as the crystalline material, the wet-chemical smoothing can be carried out with a basic solution as an etchant, for example with KOH or NaOH. In the case of GaAs, on the other hand, acidic solutions such as 3:1:1 H2SO4 (75%):H2O2:H2SO4 (96%), 1:8:80 H2SO4 (96%):H2O2:H2O or 1:8:160 H2SO4 (96%):H2O2:H2O are suitable as etchants.
Ferner ist es möglich, dass die finalen Vertiefungen durch trockenchemisches Glätten erzeugt werden. Hierbei kann der Ätzprozess so geführt werden, dass er hauptsächlich durch das Ätzmittel bestimmt wird. Im Falle von GaN kann der Ätzprozess zum Beispiel mit Wasserstoffgas als Ätzmittel bei hohen Temperaturen erfolgen.It is also possible for the final indentations to be produced by dry-chemical smoothing. In this case, the etching process can be conducted in such a way that it is mainly determined by the etchant. In the case of GaN, for example, the etching process can be performed at high temperatures using hydrogen gas as an etchant.
Beispielsweise kann die Erzeugung zumindest einer Seitenfläche analog zur Erzeugung der strukturierten Bereiche in einem zweistufigen Prozess erfolgen. Dabei kann in einem ersten Prozess, beispielsweise durch trockenchemisches Ätzen oder Laserablation, die Grundschicht zur Herstellung der zumindest einen Seitenfläche vorstrukturiert werden, und in einem zweiten Prozess nach der Vorstrukturierung nasschemisch geglättet werden.For example, at least one side surface can be generated in a two-stage process analogous to the generation of the structured areas. In this case, in a first process, for example by dry-chemical etching or laser ablation, the base layer can be pre-structured to produce the at least one side surface, and smoothed wet-chemically in a second process after the pre-structuring.
Die Laserdiodenbauelemente eignen sich besonders für Display-Anwendungen, beispielsweise Head-up-Displays, für AR (Augmented Reality)-Anwendungen, für Anwendungen in der Materialbearbeitung, für LIDAR (Light Detection And Ranging, auch Light Imaging, Detection And Ranging)-Systeme sowie zur Verwendung für Festplatten, CD-ROM und Blu-ray oder die optische Datenübertragung.The laser diode components are particularly suitable for display applications, such as head-up displays, for AR (augmented reality) applications, for applications in material processing, for LIDAR (light detection and ranging, also known as light imaging, detection and ranging) systems and for use in hard drives, CD-ROMs and Blu-ray or optical data transmission.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.Further advantages, advantageous embodiments and developments result from the exemplary embodiments described below in connection with the figures.
Es zeigen:
-
1A eine schematische Querschnittsansicht eines Laserdiodenbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel und -
1B eine schematische Schnittdarstellung einer in dem Laserdiodenbauelement enthaltenen photonischen Kristallstruktur parallel zu einer Haupterstreckungsebene der photonischen Kristallstruktur, -
2A bis2D und3A bis3F schematische Schnittdarstellungen von Ausschnitten photonischer Kristallstrukturen parallel zu deren Haupterstreckungsebenen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, -
4 eine schematische perspektivische Darstellung eines Laserdiodenbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel, -
5A und5B schematische Schnittdarstellungen von photonischen Kristallstrukturen parallel zu deren Haupterstreckungsebenen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, -
6A eine schematische perspektivische Darstellung eines Laserdiodenbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel und -
6B eine schematische Schnittdarstellung von in dem Laserdiodenbauelement enthaltenen photonischen Kristallstrukturen parallel zu deren Haupterstreckungsebenen, -
7A und 7B schematische Querschnittsansichten von Verfahrensschritten eines Verfahrens zur Herstellung einer photonischen Kristallstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1A a schematic cross-sectional view of a laser diode component according to an embodiment and -
1B a schematic sectional view of a photonic crystal structure contained in the laser diode component parallel to a main extension plane of the photonic crystal structure, -
2A until2D and3A until3F schematic sectional views of sections of photonic crystal structures parallel to their main extension planes according to various embodiments, -
4 a schematic perspective view of a laser diode component according to an embodiment, -
5A and5B schematic sectional representations of photonic crystal structures parallel to their main extension planes according to various embodiments, -
6A a schematic perspective view of a laser diode component according to an embodiment and -
6B a schematic sectional view of photonic crystal structures contained in the laser diode component parallel to their main extension planes, -
7A and7B schematic cross-sectional views of method steps of a method for producing a photonic crystal structure according to an embodiment.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht notwendigerweise als maßstabsgerecht anzusehen; vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.In the exemplary embodiments and figures, elements which are the same, of the same type or have the same effect can each be provided with the same reference symbols. The elements shown and their proportions to one another are not necessarily to be regarded as true to scale; Rather, individual elements can be shown in an exaggerated size for better representation and/or for better understanding.
In Verbindung mit den
Zur elektrischen Kontaktierung weist das Laserdiodenbauelement 1 auf einer dem Halbleiterschichtenstapel 2 zugewandten Seite des Substrats 6 ein erstes Kontaktelement 12 und auf einer dem Substrat 6 abgewandten Seite des Halbleiterschichtenstapels 2 ein zweites Kontaktelement 13 auf.For electrical contacting, the
Der Halbleiterschichtenstapel 2 umfasst einen ersten Halbleiterbereich 3 eines ersten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise einen n-dotierten Halbleiterbereich, und einen zweiten Halbleiterbereich 5 eines zweiten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise einen p-dotierten Halbleiterbereich, und eine zwischen dem ersten und zweiten Halbleiterbereich 3, 5 angeordnete aktive Zone 4, die zur Emission von Laserstrahlung im sichtbaren Spektralbereich geeignet ist. Der erste und zweite Halbleiterbereich 3, 5 können jeweils eine Folge von Einzelschichten aufweisen, die teilweise undotiert oder gering dotiert sein können.The
Für die Halbleiterbereiche 3, 4, 5 beziehungsweise Einzelschichten des Halbleiterschichtenstapels 2 kommen die bereits weiter oben erwähnten Materialien in Frage. Exemplarisch wird bei dem in den
Ferner umfasst das Laserdiodenbauelement 1 eine photonische Kristallstruktur 7, die bei diesem Ausführungsbeispiel in dem Halbleiterschichtenstapel 2 angeordnet ist. Die photonische Kristallstruktur 7 ist nahe der aktiven Zone 4 angeordnet und befindet sich zwischen einer ersten, im ersten Halbleiterbereich 3 angeordneten Mantelschicht 10 und einer zweiten, im zweiten Halbleiterbereich 5 angeordneten Mantelschicht 11, zwischen welchen auch die aktive Zone 4 angeordnet ist. Die photonische Kristallstruktur 7 ist in dem Laserdiodenbauelement 1 insbesondere als lateraler Resonator vorgesehen, während durch die Mantelschichten 10, 11 vorzugsweise ein vertikaler Resonator gebildet ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Laserdiodenbauelement 1 um einen PCSEL.Furthermore, the
Die photonische Kristallstruktur 7 enthält ein kristallines Material 8 und weist eine Mehrzahl von strukturierten Bereichen 9 auf. Bei den strukturierten Bereichen 9 handelt es sich insbesondere um Vertiefungen in dem kristallinen Material 8. Das kristalline Material 8 kann beispielsweise bei der Herstellung des Halbleiterschichtenstapels 2 als kristalline Schicht epitaktisch abgeschieden und zur Herstellung der strukturierten Bereiche 9 entsprechend strukturiert, vorzugsweise geätzt, werden. Für das kristalline Material 8 kommen dabei dieselben Materialien wie für die Einzelschichten der Halbleiterbereiche 3, 4, 5 des Halbleiterschichtenstapels 2, also zum Beispiel auf Arsenid basierende Halbleitermaterialien, in Frage. In den strukturierten Bereichen 9 kann sich ein strahlungsdurchlässiges Medium, zum Beispiel Luft oder SiO2, befinden, das einen Brechungsindex aufweist, der sich von dem Brechungsindex des kristallinen Materials 8 unterscheidet.The
Die strukturierten Bereiche 9 sind jeweils durch zumindest eine Begrenzungsfläche 7A seitlich begrenzt, welche sich entlang einer Kristallebene des kristallinen Materials 8 erstreckt. Vorzugsweise sind die strukturierten Bereiche 9 jeweils allseitig durch Begrenzungsflächen 7A begrenzt, die entlang von Kristallebenen des kristallinen Materials 8 verlaufen. Insbesondere handelt es sich bei der sich entlang einer Kristallebene erstreckenden Begrenzungsfläche 7A jeweils um eine Kristallfacette des kristallinen Materials 8.The
Wie aus
Die Querschnittsform der strukturierten Bereiche 9 hängt vom Kristallsystem des kristallinen Materials ab. Bei kubischen Kristallsystemen wie GaAs können die strukturierten Bereiche 9 rechteckige (vgl. auch
Eine Ausrichtung der strukturierten Bereiche 9 an Kristallebenen führt zu besonders glatten und gleichmäßigen Strukturen und damit zu einer hohen Güte der photonischen Kristallstruktur 7. Dadurch können Effizienz und Lebensdauer des Laserdiodenbauelements 1 gesteigert werden.An alignment of the
Die strukturierten Bereiche 9 können parallel zu einer ersten lateralen Richtung L1 Abmessungen a1 und parallel zu einer zweiten lateralen Richtung L2 Abmessungen a2 jeweils im Bereich einer Wellenlänge der Laserstrahlung und damit im Bereich von Bruchteilen eines Mikrometers aufweisen. Darüber hinaus können Abstände d zwischen den strukturierten Bereichen 9 parallel zur ersten und zweiten lateralen Richtung L1, L2 im Bereich einer Wellenlänge der Laserstrahlung und damit im Bereich von Bruchteilen eines Mikrometers liegen.The
Die strukturierten Bereiche 9 sind in der photonischen Kristallstruktur 7 regelmäßig angeordnet und bewirken eine periodische Änderung des Brechungsindex. Wie aus
Das Laserdiodenbauelement 1 weist eine Reflexionsschicht 14 auf, die auf Seitenflächen 7B der photonischen Kristallstruktur 7 angeordnet ist. Für die Reflexionsschicht 14 kommen beispielsweise Metalle mit vergleichsweise hoher Reflektivität wie etwa Au, Al oder Ag oder dielektrische Spiegel in Frage. Es können auch dielektrische und metallische Schichten kombiniert werden. Damit kann die Effizienz des Laserdiodenbauelements 1 weiter verbessert werden.The
Das Laserdiodenbauelement 1 emittiert einen Großteil der Laserstrahlung in einer Hauptabstrahlrichtung H, die parallel zu einer vertikalen Richtung V und quer zur Haupterstreckungsebene E der photonischen Kristallstruktur 7 verläuft.The
Anhand der
Wie aus
Die erste Gitterstruktur kann ein Muster aus Polygonen, beispielsweise Sechsecken, aufweisen, wobei an jedem Eck eines Polygons ein erster strukturierter Bereich 9A angeordnet ist und zwischen den Ecken teilweise weitere erste strukturierte Bereiche 9A angeordnet sind. Weiterhin kann die zweite Gitterstruktur ein zweidimensionales Punktgitter sein, wobei an jedem Gitterpunkt ein zweiter strukturierter Bereich 9B angeordnet ist. Dabei ist jeweils ein zweiter strukturierter Bereich 9B innerhalb eines Polygons der ersten Gitterstruktur angeordnet. Eine derartige Ausgestaltung der photonischen Kristallstruktur 7 wirkt in besonderer Weise modenselektiv und ermöglicht einen Singlemodebetrieb des Laserdiodenbauelements 1 auch mit kleineren lateralen Abmessungen im Bereich von 10 µm.The first lattice structure can have a pattern of polygons, for example hexagons, with a first
Bei dem in
Weiterhin können die strukturierten Bereiche 9 wie in den
Anhand der
Beispielsweise können die strukturierten Bereiche 9, 9A, 9B wie in den
Weiterhin können die strukturierten Bereiche 9, 9A, 9B wie in den
Ferner können sich die strukturierten Bereiche 9A, 9B wie bei dem in
Anhand der
Die photonische Kristallstruktur 7 weist eine polygonale Querschnittsform auf, die vom Kristallsystem des kristallinen Materials 8 abhängen kann. Beispielsweise kann die photonische Kristallstruktur 7 bei einem kubischen Kristallsystem wie GaAs eine achteckige Querschnittsform aufweisen.The
Die Seitenflächen 7B bilden eine Umrandung der photonischen Kristallstruktur 7. Insbesondere sind die strukturierten Bereiche 9 in einem Abstand zur Umrandung angeordnet, der zu einer phasenrichtigen („in-phase“) Reflektion führt.The side surfaces 7B form a border of the
Die Begrenzungsflächen 7A der strukturierten Bereiche 9 können sich wie in Verbindung mit den vorausgehenden Ausführungsbeispielen beschrieben entlang von Kristallebenen des kristallinen Materials 8 erstrecken. Es ist jedoch auch möglich, dass die Begrenzungsflächen 7A von den Kristallebenen abweichen und beispielsweise eine runde Form aufweisen. Die Effizienz des Laserdiodenbauelements 1 lässt sich bereits durch die höhere Reflektivität der an Kristallebenen ausgerichteten Seitenflächen 7B steigern.The boundary surfaces 7A of the
Anhand der
Wie aus
Anhand der
Die photonischen Kristallstrukturen 7 können wie im Zusammenhang mit den weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben ausgebildet sein. Beispielsweise können die photonischen Kristallstrukturen 7 der verschiedenen Pixelbereiche im Wesentlichen, das heißt im Rahmen üblicher Herstellungstoleranzen, gleich sein. Dadurch kann zum Beispiel ein Display erzeugt werden, bei dem die Pixelbereiche einzeln ansteuerbar sind. Alternativ können die photonischen Kristallstrukturen 7 der verschiedenen Pixelbereiche verschieden sein. Dadurch kann beispielsweise die Abstrahlcharakteristik variiert werden. So können zum Beispiel Emissionsquellen erzeugt werden, die je nach aktivierten Pixelbereichen in unterschiedliche Richtungen emittieren. Da die Strahlung an den Seitenflächen 7B der photonischen Kristallstrukturen 7 jeweils in die Pixelbereiche zurückreflektiert werden kann, ist es möglich den Crosstalk zwischen den Pixelbereichen zu verringern und den Kontrast zu erhöhen. Ferner wird durch die photonischen Kristallstrukturen 7 ermöglicht, dass die Pixelbereiche mit geringerer Größe ausgebildet und mit geringeren Abständen angeordnet werden können.The
In Verbindung mit den
Das Verfahren umfasst einen Schritt des Bereitstellens einer Grundschicht 15 eines kristallinen Materials 8 (vgl.
Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt des Herstellens von strukturierten Bereichen 9, wobei die strukturierten Bereiche jeweils durch Begrenzungsflächen 7A seitlich begrenzt werden. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Erzeugens von Seitenflächen 7B, welche die zumindest eine photonische Kristallstruktur 7 seitlich begrenzen (vgl.
Zur Herstellung der strukturierten Bereiche 9 werden in der Grundschicht 15 initiale Vertiefungen 16 ausgebildet und aus den initialen Vertiefungen 16 durch Glätten finale Vertiefungen 17 beziehungsweise strukturierte Bereiche 9 erzeugt. Dabei wird das Glätten an Kristallebenen des kristallinen Materials 8 der Grundschicht 15 durchgeführt.In order to produce the
Durch das Glätten werden Kristallfacetten des kristallinen Materials 8 der Grundschicht 15 herausgearbeitet, welche die Begrenzungsflächen 7A bilden. Hinsichtlich einer Ausrichtung von Kanten und Winkeln können dadurch besonders gleichmäßige finale Vertiefungen 17 beziehungsweise strukturierte Bereiche 9 entstehen.Crystal facets of the
Beispielsweise können die initialen Vertiefungen 16 durch trockenchemisches Ätzen oder Laserablation erzeugt werden. Wenngleich diese Methoden aufgrund ihrer höheren mechanischen Komponente aggressiver sind als Methoden mit einer höheren chemischen Komponente wie beispielsweise nasschemisches Ätzen, können sie dennoch vorliegend Anwendung finden, da durch das anschließende Glätten beispielsweise geschädigte Materialbereiche entfernt werden. Durch Abtrag der geschädigten Materialbereiche ergibt sich an Oberflächen der finalen Vertiefungen 17 beziehungsweise der strukturierten Bereiche 9 eine geringere Defektdichte, was in dem Laserdiodenbauelement aufgrund einer geringeren Oberflächenrekombination zu einer verbesserten Effizienz und Alterungsstabilität führt.For example, the
Die initialen Vertiefungen 16 werden beispielsweise kleiner als benötigt hergestellt und durch das Glätten auf die finale Größe beziehungsweise Form gebracht.The
Für das Glätten kommt ein Ätzprozess in Frage. Vorzugsweise werden die finalen Vertiefungen 17 beziehungsweise die strukturierten Bereiche 9 durch nasschemisches Glätten erzeugt. Das nasschemische Glätten kann im Falle von GaN als kristallinem Material mit einer basischen Lösung als Ätzmittel erfolgen, zum Beispiel mit KOH oder NaOH. Im Falle von GaAs eignen sich als Ätzmittel hingegen saure Lösungen wie 3:1:1 H2SO4 (75%) :H2O2:H2SO4 (96%), 1:8:80 H2SO4 (96%):H2O2:H2O oder 1:8:160 H2SO4 (96%):H2O2:H2O.An etching process can be used for smoothing. The final depressions 17 or the
Es ist jedoch auch möglich, dass die finalen Vertiefungen 17 beziehungsweise die strukturierten Bereiche 9 durch trockenchemisches Glätten erzeugt werden. Hierbei kann der Ätzprozess so geführt werden, dass er hauptsächlich durch das Ätzmittel, also die chemische Komponente, bestimmt wird. Im Falle von GaN kann der Ätzprozess zum Beispiel mit Wasserstoffgas als Ätzmittel bei hohen Temperaturen erfolgen.However, it is also possible that the final wells 17 or the
Ferner können die Seitenflächen 7B, welche die photonische Kristallstruktur 7 begrenzen, erzeugt werden, indem die Grundschicht 15 vorstrukturiert und nach der Vorstrukturierung entlang von Kristallebenen des kristallinen Materials 8 geglättet wird. Beispielsweise kann die Erzeugung der Seitenflächen 7B analog zur Erzeugung der strukturierten Bereiche 9 in einem zweistufigen Prozess erfolgen. Dabei können in einem ersten Prozess, beispielsweise durch trockenchemisches Ätzen oder Laserablation, die Seitenflächen 7B definiert werden und in einem zweiten Prozess durch Glätten, beispielsweise durch nasschemisches Ätzen, die Kristallfacetten des kristallinen Materials 8 der Grundschicht 15 herausgearbeitet werden, welche die Seitenflächen 7B bilden.Furthermore, the side surfaces 7B, which delimit the
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not limited by the description based on the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses every new feature and every combination of features, which in particular includes every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly specified in the patent claims or exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Laserdiodenbauelementlaser diode device
- 1A1A
- Oberseitetop
- 22
- Halbleiterschichtenstapelsemiconductor layer stack
- 33
- erster Halbleiterbereichfirst semiconductor area
- 44
- aktive Zoneactive zone
- 55
- zweiter Halbleiterbereichsecond semiconductor area
- 66
- Substratsubstrate
- 77
- photonische Kristallstrukturphotonic crystal structure
- 7A7A
- Begrenzungsflächeboundary surface
- 7B, 7C7B, 7C
- Seitenflächeside face
- 88th
- kristallines Materialcrystalline material
- 99
- strukturierter Bereichstructured area
- 9A9A
- erster strukturierter Bereichfirst structured area
- 9B9B
- zweiter strukturierter Bereichsecond structured area
- 9C9C
- dritter strukturierter Bereichthird structured area
- 1010
- erste Mantelschichtfirst coat layer
- 1111
- zweite Mantelschichtsecond coat layer
- 1212
- erstes Kontaktelementfirst contact element
- 1313
- zweites Kontaktelementsecond contact element
- 1414
- Reflexionsschichtreflective layer
- 1515
- Grundschichtbase layer
- 1616
- initiale Vertiefunginitial deepening
- 1717
- finale Vertiefungfinal deepening
- 1818
- Halbleiterschichtenfolge semiconductor layer sequence
- αa
- Winkelangle
- a1, a2a1, a2
- Abmessung, Kantenlängedimension, edge length
- di.e
- AbstandDistance
- EE
- Haupterstreckungsebenemain extension level
- HH
- Hauptabstrahlrichtungmain emission direction
- L1L1
- erste laterale Richtungfirst lateral direction
- L2L2
- zweite laterale Richtungsecond lateral direction
- VV
- vertikale Richtungvertical direction
Claims (17)
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PCT/EP2023/050584 WO2023143918A1 (en) | 2022-01-26 | 2023-01-12 | Laser diode component, and method for producing at least one photonic crystal structure for a laser diode component |
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---|---|
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